Vom Pulver zur Präzision: Infrarot-Messtechnik im 3D-Metalldruck

Bewältigung der Herausforderungen bei Temperaturregelung und Qualität im Metall-3D-Druck

Der 3D-Druck von Metallen hat in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen. Seit über 25 Jahren gilt das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (LPBF) als eine der vielversprechendsten Methoden der additiven Fertigung von Metallen. Entwickelt und patentiert wurde das Verfahren 1996 vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT. Besonders geeignet ist LPBF für die Herstellung von Komponenten mit komplexen und filigranen Geometrien. Dieses präzise 3D-Druckverfahren ermöglicht die Produktion von Bauteilen, die mit subtraktiven Fertigungsmethoden nicht realisierbar sind, und eröffnet kontinuierlich neue industrielle Einsatzmöglichkeiten.

Beim LPBF-Verfahren dient ein feines Metallpulver als Ausgangsmaterial, das in einer dünnen Schicht auf eine Grundplatte aufgetragen wird. Ein Laserstrahl schmilzt gezielt Bereiche des Pulvers, um die gewünschte Bauteilgeometrie zu erzeugen. Nach dem Erstarren entsteht eine feste Materialschicht. Anschließend wird die Grundplatte abgesenkt und eine neue Pulverschicht aufgetragen. Dieser iterative Prozess wird Schicht für Schicht wiederholt, bis ein dreidimensionales Bauteil entsteht, das nur noch vom überschüssigen Pulver befreit werden muss.

Am Fraunhofer ILT wird das LPBF-Verfahren in verschiedenen Forschungsprojekten kontinuierlich weiterentwickelt. Hierfür betreibt das Institut mehrere Laboranlagen. Die Qualität des LPBF-Prozesses hängt stark von der Aufrechterhaltung korrekter Prozesstemperaturen ab. Der Laserstrahl erhitzt das Material extrem schnell – mit Aufheizraten von bis zu einer Million Kelvin pro Sekunde. Das geschmolzene Material kühlt anschließend rasch wieder ab, was Risiken wie Spannungen, Schrumpfungen, Phasenumwandlungen und andere physikalische Effekte birgt, die die Bauteilqualität beeinträchtigen können. Probleme wie Rissbildung oder plastische Verformung führen letztlich zu fehlerhaften Komponenten.

Um diese Defekte zu vermeiden, wird die Grundplatte beheizt, um die Temperatur des Bauteils besser zu steuern und Spannungen durch übermäßige Temperaturgradienten zu minimieren. Die Parameter, die die Bauteiltemperatur beeinflussen, ändern sich jedoch während des gesamten Prozesses. Mit jeder neuen Schicht vergrößert sich der Abstand zur beheizten Grundplatte, das Pulverbett leitet Wärme nur schlecht, Strahlung beeinflusst den Prozess und der Laser bringt zusätzliche Energie ein. Daher sind während des gesamten Fertigungsprozesses kontinuierliche Anpassungen der Heizleistung erforderlich.

Einfache Auswertung der Thermografieaufnahmen zur Optimierung der 3D-Druckqualität

Die PI 640i Infrarotkamera ist sehr kompakt und lässt sich leicht über dem Beobachtungsfenster montieren. Mit einer Auflösung von 640 x 480 Pixeln kann sie auch kleine Bauteilstrukturen aufgrund ihrer MFOV-Eigenschaften detailgenau erfassen.

Die Kamera ist über eine USB-Schnittstelle mit einem PC verbunden, auf dem die von Optris mitgelieferte Analysesoftware PIX Connect installiert ist. Die Software ermöglicht die Auswertung thermografischer Bilder und bietet umfassende Aufzeichnungs- und Analysemöglichkeiten. Das am Fraunhofer ILT verwendete System erlaubt zudem die Archivierung und Speicherung der Aufnahmen in einem offenen Datenformat – ein wesentlicher Vorteil. Ein weiterer Pluspunkt ist die besonders einfache Auswertung der Thermografieaufnahmen in der PIX Connect Software.

Das Fraunhofer ILT nutzt die PI-Serie bereits seit mehreren Jahren. Zuvor kamen häufig nur Pyrometer zum Einsatz, die jeweils nur punktuell messen konnten. Insgesamt eignet sich die Optris Infrarotkamera hervorragend für diesen Prozess am ILT. Ihre kompakte Bauweise ermöglicht eine einfache mechanische Integration und komfortable Bedienung.